昌馬總干渠首引水樞紐排沙調(diào)度方式研究

趙 東

（甘肅省疏勒河流域水資源局昌馬灌區(qū)管理處,甘肅 玉門 735211）

1 引言

渠道泥沙淤積問題一直是困擾灌區(qū)正常運(yùn)行的主要問題,特別是作為疏勒河灌區(qū)輸水心臟的昌馬總干渠,為保證灌區(qū)的灌溉流量、沿線工況企業(yè)的用水及下游18 座梯級(jí)電站效益的正常發(fā)揮,昌馬總干渠,每年需從疏勒河引水1466 m3/s,以解決區(qū)域內(nèi)的灌溉用水問題。但是,由于疏勒河岸邊自然條件限制,植被覆蓋率低,水土流失嚴(yán)重,造成大量的泥沙進(jìn)入河流,形成高含沙量河流,一到汛期便有大量的泥沙涌入昌馬總干渠,造成干渠淤堵,襯砌磨損等相關(guān)問題,從而致使干渠輸水效率大大降低,嚴(yán)重影響總干渠控制區(qū)域內(nèi)的灌區(qū)、工況企業(yè)及梯級(jí)電站效益發(fā)揮。昌馬灌區(qū)現(xiàn)有排砂設(shè)施3 處,分別為總干渠渠首排砂閘,總干渠下游樁號(hào)0+050 處排砂渠與新、舊總干渠交匯處設(shè)置的沉砂池及排砂渠,雖然有了相應(yīng)的排砂設(shè)施,但是據(jù)統(tǒng)計(jì)與觀測(cè),每年仍有15000 m3的推移質(zhì)泥沙進(jìn)入總干渠渠首,導(dǎo)致樞紐水力排砂不暢,沖砂效果差,淤堵嚴(yán)重,疏勒河管理局每年需耗費(fèi)大量的人力、物力對(duì)樞紐進(jìn)行維護(hù),造成了資金的浪費(fèi)[1-6]。因此,如何利用現(xiàn)有樞紐進(jìn)行科學(xué)調(diào)度,合理沖砂,充分發(fā)揮昌馬總干渠樞紐的工程作用迫在眉睫。

本文從渠首樞紐引水調(diào)度方式研究出發(fā),以總干渠首進(jìn)水閘、沖沙閘和農(nóng)業(yè)進(jìn)水閘為泥沙重點(diǎn)監(jiān)測(cè)研究區(qū)域,對(duì)渠首不同時(shí)段泥沙淤泥規(guī)律、排沙與不排沙工況下泥沙的入渠條件及渠首樞紐不同調(diào)度方式下,渠首的排沙量進(jìn)行定量分析,最終得出不同調(diào)度方式對(duì)渠首排沙量的影響規(guī)律。

圖1 昌馬總干渠渠首淤積現(xiàn)狀

2 試驗(yàn)

本研究以總干渠渠首進(jìn)水閘、沖沙閘前和農(nóng)業(yè)進(jìn)水閘后作為泥沙入渠監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域,建立28 處監(jiān)測(cè)點(diǎn),以旬為單位對(duì)泥沙停水期與行水期,泥沙入渠規(guī)律及淤積情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1 停水期泥沙入渠監(jiān)測(cè)

停水期泥沙入渠監(jiān)測(cè)的方法主要通過水準(zhǔn)測(cè)量方法,按序號(hào)標(biāo)定各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),隨后測(cè)出泥沙淤積泥面高程H1,同原有渠底高程H2進(jìn)行對(duì)比,得出渠道的淤積深度H；同時(shí),結(jié)合渠首寬度B,淤泥長(zhǎng)度L及淤積厚度H,計(jì)算出渠首淤積量V,主要計(jì)算見式（1）、式（2）。

式中：H1為淤積泥面高程, m；H2為渠底高程, m；H為淤積厚度, m；L為淤積長(zhǎng)度, m；B為渠首寬度, m。

2.2 行水期泥沙入渠監(jiān)測(cè)

行水期采用自制代刻度的測(cè)桿反復(fù)測(cè)定各監(jiān)測(cè)點(diǎn)泥沙的淤積厚度H,驗(yàn)算出泥沙淤積量V1,取得了排沙前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的淤積量V2,計(jì)算出不同時(shí)段泥沙排出量V3。行水期昌馬總干渠渠首淤積測(cè)量見圖2。

圖2 行水期昌馬總干渠渠首淤積測(cè)量

3 調(diào)度方式優(yōu)化流程

根據(jù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果,優(yōu)化后渠首調(diào)度方式為春灌前、夏修前、秋修前及冬灌后農(nóng)業(yè)進(jìn)水閘關(guān)閉,而沖沙閘及泄洪閘同步開啟,具體調(diào)度方式流程圖見圖3。

圖3 優(yōu)化后調(diào)度方式流程圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 優(yōu)化調(diào)度方式前后入渠泥沙影響分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),2015 年在未優(yōu)化渠首調(diào)度方式前,昌馬總干渠和昌馬東干渠發(fā)生嚴(yán)重淤積,造成東干渠下游停灌,昌馬灌區(qū)總干渠閘后淤積量達(dá)3.47 萬m3,而2016 年度,根據(jù)上述調(diào)度方式,年度共排沙4 次,總排沙量11.76 萬m3,閘后淤積量?jī)H有1481.02 m3,同時(shí),采用該種調(diào)度方式2017 年~2019 年持續(xù)運(yùn)行后,淤積量逐年減小。2019 年總干渠閘后淤積量?jī)H為62.25 m3,相比未優(yōu)化調(diào)度方式前減少34628.69 m3,且淤積時(shí)段僅存在于洪水期,因此,渠首采用春灌前、夏修前、秋修前以及冬灌結(jié)束前集中排沙,并在農(nóng)業(yè)進(jìn)水閘運(yùn)行期間利用沖沙閘不定期排除進(jìn)水閘前泥沙的調(diào)度方式,可有效緩解泥沙入渠,避免下游干支渠泥沙淤塞情況的發(fā)生,其中調(diào)度方式優(yōu)化后,2015 年~2019 年,逐月泥沙淤積監(jiān)測(cè)量見表1,2015 年~2019 年逐年泥沙總量減少柱狀趨勢(shì)圖,見圖4。

圖4 2014年~2019調(diào)度方式優(yōu)化前后總干渠閘后逐年淤積對(duì)比柱狀圖

4.2 渠首不同時(shí)段泥沙淤積規(guī)律分析

圖5 為2015 年~2019 年昌馬灌區(qū)渠首閘后逐月淤積規(guī)律監(jiān)測(cè)分布圖,可以看出淤積分為三個(gè)階段。第一階段：為2 月10 日~6 月10 日非汛期閘后逐月泥沙淤積量普遍偏少,這是因?yàn)榉茄雌诓R灌區(qū)總干渠渠首用水來源主要來自于昌源電站后尾水,水流中泥沙含量少,通過開啟二次排沙道小流量排沙,進(jìn)水閘后淤積呈平穩(wěn)態(tài)勢(shì)；第二階段：從6 月20 日~9 月10 日汛期上游河道泄洪50 m3~300 m3,大部分河源來水通過河道下泄到進(jìn)水閘前,水流中泥沙含量大,進(jìn)水閘后淤積呈急劇上升態(tài)勢(shì),且入渠水流渾濁,河道中汛期水流流速大,有部分懸移質(zhì)泥沙入渠,造成閘前淤積量急劇增加；第三階段：9月10日~11月8日,河源來水55 m3全部被灌區(qū)引用,二次排沙道停止排沙,農(nóng)業(yè)進(jìn)水閘后淤積量上升,下游渠道水質(zhì)恢復(fù)清澈,基本無泥沙入渠,從上述分析可以看出,渠首泥沙淤積呈現(xiàn)出汛期多,非汛期少的淤積規(guī)律。

圖5 2015年昌馬渠首進(jìn)水閘后泥沙逐月淤積規(guī)律圖

從上述分析可以看出,汛期通過沖沙閘、泄洪閘的不定期排沙,雖然不能徹底杜絕泥沙入渠,但大部分推移質(zhì)泥沙經(jīng)由沖沙閘和泄洪閘排除,少量推移質(zhì)入渠后經(jīng)二次排沙道排入河道,排沙效果明顯。非汛期通過二次排沙道持續(xù)排沙,使渠首農(nóng)業(yè)進(jìn)水閘后淤積穩(wěn)定在一個(gè)較低水平,可以有效防止泥沙入渠,排沙效果明顯。

4.3 排沙消耗水量及經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)過對(duì)渠首流量及水量統(tǒng)計(jì),昌馬灌區(qū)樞紐各水閘引水量統(tǒng)計(jì)見圖6。在昌馬總干渠首來水量7.1 億m3,其中：農(nóng)業(yè)進(jìn)水閘引進(jìn)水量6.26 億m3,占來水量的88.2%；沖沙閘及泄洪閘排泄水量0.84 億m3,占來水量的11.8%；二次排沙道及第一排沙道排沙用水0.22 億m3,占農(nóng)業(yè)進(jìn)水閘引進(jìn)水量的3.5%。

圖6 昌馬灌區(qū)渠首各部位用水量圖（單位：億m3）

上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)明,在水庫不泄洪的情況下,用于渠首排沙的水量約為1.06 億m3,其中：沖沙閘及泄洪閘大部分水量為春灌前、夏修前、秋修前及冬灌前集中排沙用水。真正在灌溉運(yùn)行期排水的只有二次排沙道及第一排沙道用水2200 萬m3,占農(nóng)業(yè)進(jìn)水閘引進(jìn)水量的3.5%?？鄢刀房诶寐?7.1%,換算成斗口水量為1476.2 m3,按水價(jià)0.111 元計(jì)算,損失為水費(fèi)163.85 萬元,而在未進(jìn)行調(diào)度方式運(yùn)行調(diào)整之前,每年清淤量為3.47 萬m3,1 m3淤積按照100 元計(jì)算,清淤費(fèi)用為347.0 萬元,由此可以看出,調(diào)整調(diào)度方式相比不調(diào)整調(diào)度方式,每年可以節(jié)約183.15 萬元,經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。

5 結(jié)論

本文從渠首樞紐引水調(diào)度方式研究出發(fā),以總干渠首進(jìn)水閘、沖沙閘和農(nóng)業(yè)進(jìn)水閘為泥沙重點(diǎn)監(jiān)測(cè)研究區(qū)域,對(duì)渠首不同時(shí)段泥沙淤泥規(guī)律、排沙與不排沙工況下泥沙的入渠條件及渠首樞紐不同調(diào)度方式下,渠首的排沙量進(jìn)行定量分析,最終得出不同調(diào)度方式對(duì)渠首排沙量的影響規(guī)律。

（1）渠首泥沙淤積呈現(xiàn)出汛期多,非汛期少的淤積規(guī)律。

（2）渠首采用春灌前、夏修前、秋修前以及冬灌結(jié)束前集中排沙,并在農(nóng)業(yè)進(jìn)水閘運(yùn)行期間利用沖沙閘不定期排除進(jìn)水閘前泥沙的調(diào)度方式,可有效緩解泥沙入渠,避免下游干支渠泥沙淤塞情況的發(fā)生。

（3）在灌溉運(yùn)行期排水的只有二次排沙道及第一排沙道用水2200萬m3,換算成斗口水量為1476.2 m3,按水價(jià)0.111元計(jì)算,損失為水費(fèi)163.85 萬元,而在未進(jìn)行調(diào)度方式運(yùn)行調(diào)整之前,每年清淤量為3.47 萬m3,1 m3淤積按照100 元計(jì)算,清淤費(fèi)用為347.0 萬元,由此可以看出,調(diào)整調(diào)度方式相比不調(diào)整調(diào)度方式,每年可以節(jié)約183.15 萬元,經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。